GPRS工作原理以及其通信协议

-------GPRS的工作原理简介

GPRS工作时，是通过路由管理来进行寻址和建立数据连接的，而GPRS的路由管理表现在以下3个方面：移动终端发送数据的路由建立；移动终端接收数据的路由建立；以及移动终端处于漫游时数据路由的建立。

对于第一种情况，当移动终端产生了一个PDU（分组数据单元），这个PDU经过SNDC层处理，称为SNDC数据单元。然后经过LLC层处理为LLC帧，通过空中接口（空中接口（Air Interface）是指用户终端（UT）和无线接入网络（RAN）之间的接口）送到GSM网络中移动终端所处的SGSN。SGSN把数据送到GGSN。GGSN把收到的消息进行解装处理，转换为可在公用数据网中传送的格式（如PSPDN的PDU），最终送给公用数据网的用户。为了提高传输效率，并保证数据传输的安全，可以对空中接口上的数据做压缩和加密处理。 在第二种情况中，一个公用数据网用户传送数据到移动终端时，首先通过数据网的标准协议建立数据网和GGSN之间的路由。数据网用户发出的数据单元（如PSPDN中的PDU），通过建立好的路由把数据单元PDU送给GGSN。而GGSN再把PDU送给移动终端所在的SGSN上，GSN把PDU封装成SNDC数据单元，再经过LLC层处理为LLC帧单元，最终通过空中接口送给移动终端。

第三种情况是一个数据网用户传送数据给一个正在漫游的移动用户。这种情况下的数据传送必须要经过归属地的GGSN，然后送到移动用户A。

------GPRS的英文全称是：“General Packet Radio Service”（译作“通用无线分组服务”），它

是利用“包交换”（Packet－Switched）的概念发展起来的一套无线传输方式。所谓“包交换 ”就是将Data封装成许多独立的封包，再将这些封包一一传送出去，形式上有点类似邮局中的寄包裹。其作用在于只有当有资料需要传送时才会占用频宽，而且可以以传输的资料量计价，这对广大用户来说是较合理的计费方式，因为像Internet这类的数据传输大多数的时间频宽是闲置的。 GPRS网络是基于现有的GSM网络来实现的。在现有的GSM网络中需增加一些节点，如GGSN（Gateway GPRS Supporting Node，GPRS网关支持节点）和SGSN（ Serving GSN，GPRS服务支持节点），GSN是GPRS网络中最重要的网络节点。GSN具有移动路由管理功能，它可以连接各种类型的数据网络，并可以连到 GPRS寄存器。GSN可以完成移动终端（即手机）和各种数据网络之间的数据传送和格式转换。GSN可以是一种类似于路由器的独立设备，也可以与GSM中的MSC（Mobile Switching Center，移动交换中心，将本网和其它网络连接起来）集成在一起。GSN有两种类型：一种为SGSN（ Serving GSN，服务GSN），另一种为GGSN（Gateway GSN，网关GSN），SGSN的主要作用是记录移动终端的当前位置信息，并且在移动终端和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。GGSN主要是起网关作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如ISDN（综合业务数字网）、PSPDN(分组交换公用数据网)和LAN（局域网）等。国外有些资料甚至将GGSN称为GPRS路由器。GGSN可以把GSM网中的GPRS 分组数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的TCP／IP或X.25网络。

GPRS网不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点，而且其本身就是一个分组型数据网，支持TCP/IP协议，可以直接与Internet互通。因此，GPRS在无线上网、环境监测便携型、交通监控、移动办公等行业中具有无可比拟的性价比优势。

-------GPRS的主要特点 相对原来GSM的电路交换数据传送方式，GPRS采用分组交换技术。由于使用“分组”技术，用户上网可以免受掉线的麻烦。此外，使用GPRS上网的方法与 WAP不同， 用WAP上网就如在家中上网，先“拨号连接”，而上网后便不能同时使用该电话线，但GPRS则较优越，下载资料和通话可以同时进行。 从技术上来说，声音的传送（即通话）继续使用GSM，而数据的传送则使用GPRS，就把移动电话的应用提升到一个更高层次，而且不需重新组网，十分经济。 GPRS的用途十分广泛，包括通过手机发送及接收电子邮件、在Internet上浏览等。使用GPRS，数据可实现分组发送和接受，这意味着用户总是在线且按流量计费，降低了服务成本。 GPRS的最大优势在于数据传输速度不是WAP所能比拟的。目前的GSM移动通信网的传输速度为每秒9.6K字节，GPRS手机在今年初推出时已达到 56Kbps的传输速度，到现在更是达到了115Kbps（此速度是常用56k modem理想速率的两倍）。除了速度上的优势，GPRS还有“永远在线”的特点，即用户随时与网络保持联系。举个例子，用户访问Internet时，点击一个超级链接，手机就在无线信道上发送和接受数据，主页下载到本地后，没有数据传送，手机就进入一种“准休眠”状态，手机释放所用的无线频道给其它用户使用，这时网络与用户之间还保持一种逻辑上的连接，当用户再次点击，手机立即向网络请求无线频道用来传送数据，而不像普通拨号上网那样断线后还得重新拨号才能上网。

-------GPRS的协议模型 Um接口是GSM的空中接口。Um接口上的通信协议有5层，自下而上依次为物理层、MAC（Media Access Control)层、LLG（Logical Link Control）层、SNDC层和网络层。Um接口的物理层为射频接口部分，而物理链路层则负责提供空中接口的各种逻辑信道。GSM空中接口的载频带宽为 200KHZ，一个载频分为8个物理信道。如果8个物理信道都分配为传送GPRS数据，则原始数据速率可达200Kbps。考虑前向纠错码的开销，则最终的数据速率可达164kbps左右；MAC为媒质访问控制层。MAC的主要作用是定义和分配空中接口的GPRS逻辑信道，使得这些信道能被不同的移动终端共享；LLG层为逻辑链路控制层。它是一种基于高速数据链路规程HDLG的无线链路协议；SNDC被称为子网依赖结合层。它的主要作用是完成传送数据的分组、打包，确定TCP／IP地址和加密方式；网络层的协议目前主要是Phasel阶段提供的 TCP／IP和L25协议。TCP／IP和X.25协议对于传统的GSM网络设备（如：BSS、NSS等设备）是透明的。

--------GPRS的应用范围 GPRS是在现有GSM网络上开通的一种新型的分组数据传输业务，在有GPRS承载业务支持的标准化网络协议的基础上，GPRS可以提供系列交互式业务服务：

1、点对点面向连接的数据业务。为两个用户或者多个用户之间发送多分组的业务，该业务要求有建立连接、数据传送以及连接释放等工作程序。

2、单点对多点业务。根据某个业务请求者的要求，把单一信息传送给多个用户。该业务又可以分为点对多点多信道广播业务、点对多点群呼业务和IP多点传播业务。

3、点对点无连接型网络业务。各个数据分组彼此互相独立，用户之间的信息传输不需要端到端的呼叫建立程序，分组的传送没有逻辑连接，分组的交付没有确认保护，是由IP协议支持的业务。 GPRS除了提供点对点、点对多点的数据业务外，还能支持用户终端业务、补充业务、 GSM短消息业务和各种GPRS电信业务。

-------GPRS通信系统软件设计

系统软件采用C语言编写，在MPLAB环境下编译。由于本系统是远程管理终端的一个模块，因此在程序的编写中要遵守一定的协议，这样才能保证正确通信。程序的主体是如

何控制GR47的AT命令对GR47进行初始设置和对信息数据的处理。程序总体上可以分为以下几个块：CPRS连接的初始设置、短消息的判断处理、无数据传输时的心跳处理、数据判断转发等。主程序是把这些程序块有机结合到一起，相互控制，无限循环。

-------连接的建立

GPRS模块连接到Internet和GPRS网络的实现过程如下：

a)单片机软件控制GR47模块开机，等待此模块正常启动。

b)通过单片机和GR47模块连接的串口，向GR47模块写入相应的AT设置命令，进行初始化，使模块成功粘附在GPRS网络上，获得网络运行商分配的动态IP地址，与目的终端建立连接。

-------数据的处理

数据包在数据中心服务器和GPRS服务器中的传输是基于IP数据包的，但明文传送IP包不可取，因此大多选用PPP(点对点协议)进行传输，实现通过 GPRS模块的数据和Internet网络的透明传输。GR47内部集成了TCP/IP协议栈，所以用户对IP协议相关的程序就不必编写，可以直接通过 GR47传递数据。

a)模块与Internet上PC机的数据传输：要求PC机具有公网的IP地址和开放的端口以及监视传输报文的运行软件。这样，模块与Intemet传输数据时，报文就会显示。在模块成功联入网络后，单片机只要将要发送的数据通过串口发给GR47，GR47就会把数据转发给相应的IP地址的PC机。

b)短消息数据的处理：GR47具有GSM的功能，可以与手机发送和接收短消息。短消息采用PDU格式，在程序中需要判断短消息的到来和读取短信内容，并根据内容执行相应的功能，最后把结果构造成PDU格式返回给相应的发送者。

c)GPRS通信心跳信息：网络连接建立后，在设定周期内无数据通信时，GPRS模块向数据服务中心发送心跳信息，数据服务中心收到心跳信息后，回应应答信号。

d)重要数据的存储：程序中把一些重要的常用和易变的数据如计算机服务器的IP地址、端口号、终端地址、SIM卡号等存入单片机的EEPROM中。需要时从EEPROM中读出或向EEPROM重新写入数据进行设置。

--------主程序流程

主程序由模块函数组成，模块函数由基本函数嵌套组成。主程序流程大致如下：首先进行单片机设置变量的初始化，一般均为0；进行单片机相应配置单元的初始化，比如设定端口方向、没置中断优先级、定时器初始化等；然后由单片机控制GR47的电源，以决定是否开机；待开机成功后，查询网络是否注册成功；成功后即可建立模块与PC机服务器的连接，并进行数据传输和短消息处理；根据需要发送一定格式的心跳信息。见图2。

-------结束语

本文给出了一种基于单片机和GPRS模块的嵌入式无线数据传输终端的实现方案。以单片机应用系统为中心的小型GPRS通信系统成本低、设计周期短、便携性好，尤其适用于远程控制和数据传输。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/32s2.html